農(nóng)業(yè)水循環(huán)與水環(huán)境遙感應用研究進展*

尚 敏，呂 偉（玉溪師范學院，云南玉溪 650031）

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·研究綜述·

農(nóng)業(yè)水循環(huán)與水環(huán)境遙感應用研究進展*

尚 敏，呂 偉
（玉溪師范學院，云南玉溪 650031）

摘 要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受環(huán)境因素影響大，進入農(nóng)耕文明以來，農(nóng)業(yè)對氣候的高度依賴局面沒有得到根本性的改變，頻繁的自然災害給我國的農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展造成了極大的困難。遙感技術是運用各類非接觸的主被動的探測設備，對地面目標物的電磁波輻射與反射特性進行探測，通過其特性分析，探明其物體性質(zhì)、特征及狀態(tài)的綜合性探測技術。它具有覆蓋面積廣、空間分辨率高、獲取信息大、重訪周期短等優(yōu)點，適用于農(nóng)業(yè)資源調(diào)查與自然災害監(jiān)測等農(nóng)業(yè)相關領域的研究，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導與相關部門的決策管理意義重大。文章主要針對國內(nèi)遙感技術在農(nóng)業(yè)水循環(huán)與水環(huán)境的發(fā)展、應用現(xiàn)狀進行綜述與分析，并對遙感技術在農(nóng)業(yè)水資源領域的發(fā)展趨勢進行展望。

關鍵詞農(nóng)業(yè) 水循環(huán) 水環(huán)境 遙感 展望

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有農(nóng)作物種類分布的分散性與地域復雜性特點，受環(huán)境因素影響大，從農(nóng)耕文明的出現(xiàn)至今，農(nóng)業(yè)靠天吃飯的局面沒有得到根本性的改變，頻繁的自然災害給我國的農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展造成了極大的困難。

遙感技術是運用各類非接觸的主被動的探測設備，對地面目標物的電磁波輻射與反射特性進行探測，通過其特性分析，探明其物體性質(zhì)、特征及狀態(tài)的綜合性探測技術［1］。它具有覆蓋面積廣、空間分辨率高、獲取信息大、重訪周期短等優(yōu)點，適用于農(nóng)業(yè)資源調(diào)查與自然災害監(jiān)測等農(nóng)業(yè)相關領域的研究，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導與相關部門的決策管理意義重大。20世紀70年代開始，歐美等發(fā)達國家最先應用衛(wèi)星遙感技術對農(nóng)作物進行面積監(jiān)測與估產(chǎn)，之后遙感技術在農(nóng)業(yè)各領域的應用得到不斷拓展，我國從20世紀80年代開始將遙感技術應用于農(nóng)業(yè)領域，至今我國遙感技術應用的內(nèi)容已涉及到農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、農(nóng)作物估產(chǎn)、災害預警及精準農(nóng)業(yè)等眾多方面，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展保駕護航。該文主要針對國內(nèi)遙感技術在農(nóng)業(yè)水循環(huán)與水環(huán)境的發(fā)展、應用現(xiàn)狀進行綜述與分析，并對遙感技術在農(nóng)業(yè)水資源領域的發(fā)展趨勢進行展望。

1 遙感技術在農(nóng)業(yè)水循環(huán)中的應用

1.1 蒸散發(fā)

蒸散發(fā)包括土壤蒸發(fā)與植物蒸騰，是水文循環(huán)的重要組成部分，農(nóng)業(yè)用水量主要是通過蒸散發(fā)的形式耗散。有效的估算蒸散發(fā)，對農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃管理與監(jiān)測，指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高灌溉效率及合理利用水資源意義重大［2］。與傳統(tǒng)的水文學與氣象學方法計算蒸散發(fā)相比，遙感技術具有應用更大面積區(qū)域、結(jié)果精確、資料全面客觀等優(yōu)點。近年來，國內(nèi)外眾多學者在利用遙感技術計算區(qū)域蒸散發(fā)方面成果顯著，建立了眾多的基于區(qū)域遙感估算模型，主要有經(jīng)驗統(tǒng)計模型、物理模型及數(shù)值模型［3］。

葛琴［4］對基于陸面過程模型BEPS進行了本地化與驗證，并在BEPS模型模擬的地表蒸散發(fā)的基礎上構建了BMI指數(shù)模塊，研究結(jié)果證明了其干旱監(jiān)測的可行性，對基于BEPS模型的干旱監(jiān)測技術在中國區(qū)域的應用提供了參考；馮曉曦等［5］依托MODIS數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象站實測資料，應用地表能量平衡模型SEBS，對地跨陜西、山西兩省的柳林泉域蒸散發(fā)量進行了估算與結(jié)果驗證，得出了該研究區(qū)的蒸散發(fā)趨勢、時間及空間分布規(guī)律，驗證了蒸散發(fā)量的主要影響因子為高程、氣溫及坡度；蔣磊等［6］基于遙感蒸發(fā)模型SEBAL，計算了黃河中上游河套灌區(qū)作物生育期的蒸散發(fā)量，定義了該區(qū)域灌區(qū)灌溉效率的評價指標，并對其予以分析與評價，將遙感、氣象及引水數(shù)據(jù)相結(jié)合對灌水效率進行評價作為一種新途徑，完善了水分利用評價體系。

1.2 土壤水分

土壤水分是農(nóng)作物吸收水分的主要來源，主要來自大氣降水與灌溉水。一旦土壤水分含量的變化與農(nóng)作物需水量出現(xiàn)不平衡，就會發(fā)生旱澇災害，對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構成威脅。因此土壤水分監(jiān)測對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、災情監(jiān)測、農(nóng)業(yè)水資源管理及農(nóng)田水分管理等方面意義重大［7］。遙感技術能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍土壤水分數(shù)據(jù)的收集，通過各種遙感儀器測算土壤表明反射或發(fā)射的電磁能量，最終通過不同監(jiān)測方法得到土壤水分含量。當前遙感監(jiān)測方法主要包括反射率法、植被指數(shù)法、地表溫度法、溫度-植被指數(shù)法、作物水分脅迫指數(shù)法、熱慣量法及微波法。而溫度-植被指數(shù)法與熱慣量法被認為是較為成熟的監(jiān)測方法［8］。

夏米西努爾·馬遜江等［9］以新疆干旱區(qū)綠洲為研究區(qū)，通過雷達與光學遙感等2種主被動遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，獲取土壤與植被水分信息，運用溫度-植被指數(shù)法進行土壤水分估算，得出了主被動遙感數(shù)據(jù)結(jié)合能夠在干旱區(qū)土壤水分反演時有效去除植被的影響。萬幼川等［10］利用ERS與METOP衛(wèi)星搭載的SCAT與ASCAT微波散射計，對青藏高原地區(qū)土壤水含量進行觀測，同時基于TU-WIEN算法，并將其經(jīng)驗函數(shù)加以改進。測算結(jié)果表明，衛(wèi)星反演結(jié)果與實地測量數(shù)據(jù)具有很好的一致性，該算法具有良好的可移植性與應用價值。董雪園［11］基于GPR-R技術，在Marttit H.等提出的模型關系與Ulaby F.T.等提出的MIMICS模型等國內(nèi)外該領域研究成果的基礎上，采用GPS-R技術進行裸地遙感土壤含水量實驗，建立了裸露地表表層土壤含水量遙感反演模型，對土壤水分的多尺度遙感有一定的參考價值。

2 遙感技術在農(nóng)業(yè)水環(huán)境中的應用

2.1 遙感技術監(jiān)測水環(huán)境的方法

水環(huán)境監(jiān)測是農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測的重要組成部分，通過監(jiān)測以實現(xiàn)對水污染源的控制、治理，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全。遙感技術對水環(huán)境的監(jiān)測主要采取可見光、紅外、紫外攝影，多光譜、激光掃描成像及紅外、微波輻射掃描等方法來收集多光譜、高光譜遙感數(shù)據(jù)［12］，通過構建模型與選擇適用的算法，得到準確的結(jié)果。

2.2 水質(zhì)遙感監(jiān)測技術研究進展

水質(zhì)遙感監(jiān)測精度高，是一種先進的監(jiān)測技術。當前對水環(huán)境的監(jiān)測主要包含水體懸浮固體、熱污染、油污及水體富營養(yǎng)化等污染類型［13］，我國相關領域?qū)W者近年來的文獻以對水體富營養(yǎng)化的研究居多。

徐祎凡［14］以太湖為研究對象，對其水體遙感反射率與水質(zhì)參數(shù)進行收集，通過我國2008年發(fā)射的環(huán)境一號衛(wèi)星的多光譜、高光譜影像數(shù)據(jù)，構建了太湖富營養(yǎng)化狀態(tài)的三波段與回歸評價模型，對2009～2011年太湖水體富營養(yǎng)化狀態(tài)時空分布進行對比分析與評價。該研究對應用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對我國內(nèi)陸水體富營養(yǎng)化進行監(jiān)測能夠起到促進作用，依托遙感技術提高了對水體環(huán)境質(zhì)量評價的客觀性與準確性。

王麗艷［15］基于遙感衛(wèi)星MODIS數(shù)據(jù)，通過單波段與各波段組合反射因子與水質(zhì)參數(shù)之間的函數(shù)關系，建立并最終驗證了其半經(jīng)驗回歸模型，對我國第五大湖泊呼倫湖的水質(zhì)進行了遙感反演與水體富營養(yǎng)評價，該研究對我國湖泊水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測與災害精確預警提供了遙感技術支撐。

宋瑜［16］等結(jié)合高光譜影像遙感數(shù)據(jù)，基于MODIS數(shù)據(jù)建立了太湖水體富營養(yǎng)化識別模型，運用遙感數(shù)據(jù)資料對湖泊營養(yǎng)化狀態(tài)進行評價，為動態(tài)監(jiān)測我國水體富營養(yǎng)化提供了有效的遙感監(jiān)測手段與參考依據(jù)。

3 遙感技術在農(nóng)業(yè)水資源領域應用展望

農(nóng)業(yè)水資源是當前遙感技術的熱點應用領域，但基于各種模型與算法的對農(nóng)業(yè)水循環(huán)與水環(huán)境的分析研究中，存在適用范圍的局限性與準確度的有待完善［17］。國內(nèi)眾多學者的相關理論研究，仍缺乏大量的具體實例支撐與考證。對水資源進行監(jiān)測的遙感傳感器的精度及復雜數(shù)據(jù)的分析處理能力仍有待提升。對影響水環(huán)境的固體懸浮物、熱污染方面的相關研究較少，研究范圍急需拓寬。隨著遙感技術的不斷發(fā)展與成熟，農(nóng)業(yè)水資源遙感信息的定量化、遙感監(jiān)測的網(wǎng)絡化、資源共享化必定實現(xiàn)，這將極大促進各種科研新成果的推廣與應用，節(jié)省監(jiān)測時間與成本［18］。相關領域的專家學者也將不斷完善各類模型與算法，提高模型與算法的反演精度與適用范圍，從而更好地為我國農(nóng)業(yè)水資源的監(jiān)測與利用提供強大的技術保障。

我國對基于遙感技術的農(nóng)業(yè)水資源的相關研究起步較晚，當前主要是針對自建模型與國外引進模型進行模擬與驗證，尚缺乏適合中國地域特色與地理特征的機理模型。但隨著新技術手段與方法的不斷發(fā)展與完善，在我國廣大科學工作者的共同努力下，未來一定會充分發(fā)掘出遙感技術在農(nóng)業(yè)水資源中的應用潛力，促進我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展。

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PROGRESS IN APPLICATION OF AGRICULTURAL REMOTE SENSING OF WATER CYCLE AND WATER ENVIRONMENT

Shang min，Lu Wei
（Yuxi Teachers College，Yuxi 650031，China）

AbstractThe agricultural production is influenced by environmental factors.Since the beginning of the farming civilization，the situation that agriculture highly depends on the climate has not yet been changed fundamentally.Frequent natural disasters have caused great difficulties to the development of rural economy in China.Remote sensing technology is a comprehensive detection technology which can apply all kinds of non-contact active and passive detection equipment to detect the ground target by electromagnetic radiation and reflection characteristic，and study the properties，characteristics and state of objects through the characteristic analysis.It has the advantages of covering wide area，high spatial resolution，accessing to big information，short revisit period，and so on，and can be applied for agricultural resources investigation and natural disaster monitoring.It is of great significance to the guidance of agricultural production and the decision-making management of relevant departments.This paper mainly summarized and analyzed the development and application status of remote sensing technology in agricultural water circle and water environment，discussed the development trend of remote sensing technology in the field of agricultural water resources.

Keywordsagriculture；water circle；water environment；remote sensing；outlook

中圖分類號：F323.213；S127

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9121［2016］02-0223-03

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160237

收稿日期：2014-12-11

作者簡介：尚敏 （1979—），女，云南玉溪人，講師。研究方向:地理信息系統(tǒng)應用研究、3S應用研究。Email:bettysm@yxnu.net*資助項目：云南省應用基礎研究計劃項目“撫仙湖-星云湖流域礦山地質(zhì)生態(tài)環(huán)境恢復治理對策研究”（2010CD089）